干道式多孔结构蒸发/沸腾传热特性的研究

Recently, with the rapid development of science and technology, high heat flux (100-1000W/cm2) heat transfer technology is demanded in quite a few fields especially in some cutting edge technologies. To solve the development bottleneck in relevant fields caused by thermal problems, the heat transfer performance and critical heat flux (CHF) of evaporation/boiling heat transfer must be enhanced considerably, which is a challenging task in the subject of engineering thermophysics. In this project, based on the concept of "phase separation and modulation", the traditional porous structure is improved, and artery porous structure is employed in the evaporation/boiling heat transfer. The application of artery porous structure can actively adjust the liquid/vapor interface position in the evaporation/boiling process, properly regulate the flow paths of liquid and vapor, which can reduce the counterflow resistance significantly in severe evaporation/boiling process and effectively enhance the CHF of evaporation/boiling heat transfer. In this study, visual experimental method will be used as well as necessary theoretical modeling and analysis. Through this study, the evaporation/boiling heat transfer coefficient of artery porous structure will be obtained, the mechanism and theoretical model of evaporation/boiling heat transfer CHF of artery porous structure will be revealed and established respectively, and the principle and characteristics of evaporation/boiling heat transfer of artery porous structure will be discussed, which will promote the high heat flux heat transfer technology to a new level in our country.

近年来，随着科学技术飞速发展，许多领域特别是一些尖端技术领域对高热流密度（100-1000W/cm2）传热技术提出迫切需求。为解决相关领域因热问题出现的发展瓶颈，需进一步提高蒸发/沸腾传热临界热流密度（CHF）及传热性能，是目前工程热物理学科具有挑战性的前沿课题。申请人基于"相分离与调制"的概念，对传统多孔结构法进行结构改进，提出将干道式多孔结构应用于蒸发/沸腾传热。干道式多孔结构的应用，能够主动调节蒸发/沸腾传热气液相变界面位置，合理规划蒸汽与液体的流动路径，从而大大减小剧烈蒸发/沸腾传热过程严重的气液逆流阻力，达到显著提升CHF的目的。课题开展以可视化实验研究为主，并辅以一定的理论建模与分析，最终获得干道式多孔结构蒸发/沸腾传热系数，揭示干道式多孔结构蒸发/沸腾传热CHF的物理机制并建立其理论模型，探讨干道式多孔结构蒸发/沸腾传热机理与特性，提升我国在高热流密度传热技术领域的科技水平。

近年来，随着科学技术的快速发展，许多领域特别是一些尖端技术领域对高热流密度传热技术提出迫切需求，受到国际传热届和相关应用领域的高度关注。为解决相关应用领域由于热问题导致的发展瓶颈，需大幅提高沸腾传热临界热流密度（CHF）以及传热性能，成为目前工程热物理学科具有挑战性的国际前沿研究方向。本项目基于“相分离与调制”的概念，对传统的多孔结构法进行结构改进，提出干道式多孔结构应用于蒸发/沸腾传热强化。干道式多孔结构的应用能够主动调节蒸发/沸腾传热过程气液相变界面位置，合理规划蒸汽与液体的流动路径以及热流传输路径，大大减小剧烈蒸发/沸腾传热过程严重的气液逆流阻力，达到显著提升CHF的目的。搭建干道式多孔结构蒸发/沸腾传热可视化实验台，包括沸腾池、加热系统、温度数据采集系统、摄像系统等，对不同结构参数的干道式多孔结构的蒸发/沸腾传热特性开展系统深入的实验研究，考察了多孔结构与加热壁面连接方式、蒸汽槽道深度以及多孔结构有效孔径等参数对蒸发/沸腾传热性能的影响。根据实验结果，得出以下结论：1）加热表面与多孔结构的连接方式对干道式多孔结构蒸发/沸腾传热性能影响很大，应尽量减小两者间的接触热阻，如采用银焊等连接方式。2）铜粉颗粒越小，毛细抽吸越强而渗透率变差，两者之间的制衡使得存在最佳的多孔结构颗粒粒径，达到最高的蒸发/沸腾传热CHF以及传热性能。3）干道越深，排气阻力越小，故适当增大干道深度有利于提高高热流情形的传热性能。在实验所涉及的参数组合中，中等大小的多孔结构有效孔径与中等程度的开槽深度表现最佳，在0.78cm2的加热面积上达到了610 W/cm2的最大热流密度，而未观测到明显的膜态沸腾现象，成功达到预期目标。此外，通过对气液行为的观察，总结出干道式多孔结构池沸腾的四种沸腾传热形式。最后，通过进行理论建模，揭示了干道式多孔结构达到CHF的物理机制，并分析了干道式多孔结构在很高的热流密度时的失效机理。